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Valvetronic (BMW)

siehe auch |Variable Steuerzeiten   | Leistungssteigerung | Füllung | Leistung | Mehrventiler |Aufladung |Vergleich P/M |

 
Immer wieder dient die Natur als Vorbild für die Entwicklung innovativer Technologien. Der Vergleich mit der Atemtechnik des Menschen macht zum Beispiel die Funktionsweise von VALVETRONIC deutlich:

Bei hoher Anstrengung atmet der Mensch tief und lang. Braucht er weniger Luft, dann drosselt er nicht die Luftzufuhr, indem er sich Nase und Mund etwas zuhält, sondern er atmet kürzer und flacher. Beim herkömmlichen Ottomotor entspricht die Drosselklappe der zugehaltenen Nase bzw. dem Mund. VALVETRONIC mit großem Ventilhub (= tiefes, langes Atmen) bzw. kleinem Ventilhub (= flaches, kurzes Atmen) ermöglicht es, wie die Natur zu atmen - ohne Drosselung und immer effizient.

Valvetronic

Valvetronic

 


Die neuartige
VALVETRONIC-Technologie bietet aufgrund ihrer Funktionsweise ein exzellentes Kaltstart-Verhalten und eine hohe Laufruhe. Dies ist auf das Prinzip des vollvariablen Ventiltriebs zurückzuführen. Im Teillastbetrieb arbeitet die VALVETRONIC mit vergleichsweise kleinen Ventilhüben von 0,5 bis 2,0 Millimeter. Dadurch gelangt das Kraftstoffgemisch nur durch einen schmalen Spalt in den Brennraum. Durch die hohe Einströmgeschwindigkeit wird das Gemisch schon bei kaltem Motor ideal zerstäubt. Ein möglichst feiner Gemischnebel ist aber auch Voraussetzung für einen raschen und gleichmäßigen Verbrennungsvorgang. Eine noch höhere Laufruhe wird bei niedriger Last erreicht, da sich die Ventile dann nur noch geringfügig heben.  

 

BMW 316ti Zylinderkopf

mit Valvetronic

 

VALVETRONIC ermöglicht einen vollvariablen Ventilhub von 0,0 bis zu 9,7 Millimeter. Er wird durch einen elektromotorisch verstellbaren Zwischenhebel erreicht, der zwischen der Nockenwelle und dem Schlepphebel, der das Ventil betätigt, platziert ist. Dabei arbeitet die VALVETRONIC nicht nur präzise, sondern auch extrem schnell. Die Verstellung von Minimal- auf Maximalhub kann in nur 300 Millisekunden geschehen. Um diese Einstellmöglichkeiten nutzen zu können, sind sehr leistungsfähige Steuerungen notwendig. Die VALVETRONIC verfügt deshalb über einen eigenen mit der Motorsteuerung vernetzten 32-Bit-Rechner.

 

Einlassventil mit Valvetronic
Einlassventil mit Valvetronic

Die Gemischzufuhr wird über einen variablen Ventilhub ohne Drosselklappe gesteuert.

 

Für den BMW Fahrer bringt der neue 316ti-Vierzylinder mit VALVETRONIC einen geringeren Verbrauch, verminderte Abgasemissionen und zugleich ein besseres Ansprechverhalten sowie eine höhere Laufruhe mit sich.

Der 85 kW/115 PS starke und 201 km/h schnelle 316ti compact verbraucht nach EU 6,9 Liter Super auf 100 Kilometer Fahrstrecke - 0,7 Liter weniger als das Vorgängermodell mit 77 kW/105 PS und weit über einen Liter weniger als sämtliche Wettbewerber in dieser Klasse. Der 316ti compact erfüllt die Schadstoffnorm EU4.

. Valvetronic

 

 


Valvetronic

Obwohl alle Fahrzeughersteller auch bei geringfügigen Modifikationen gerne von einem "neuen Motor" sprechen, hat sich an den entscheidenden Bauteilen in den vergangenen Jahrzehnten wenig getan. So auch bei der Gemischaufbereitung. Zwar wird heutzutage mittels elektronischem Kennfeld gezündet und haben Einspritzanlagen die Vergaser abgelöst, doch das wichtigste Bauteil funktioniert noch immer wie in den Kindertagen des Motorenbaus: Die Drosselklappe, eingebaut irgendwo im Ansaugtrakt, bestimmt mit ihrer Öffnung das Volumen an Luft bzw. zündfähigem Gemisch, dass in den Zylinder gelangt. Die Stellung der Drosselklappe regelt der Fahrer mit dem Gaspedal. Unbefriedigend an dieser Lösung sind die Verluste, die durch unerwünschte Verwirbelungen an der Drosselklappe entstehen.

 Valvetronic
vollvariabler Ventilhub

Die Valvetronic hat nun die Drosselklappe abgeschafft. Künftig wird deren Funktion vom Einlassventil (1) übernommen. Das Einlassventil wird nicht starr von der Nockenwelle (2) angetrieben, sondern mittels Exzenterwelle (3) und Zwischenhebel (4). Tritt nun der Fahrer aufs Gas, verdreht ein Elektromotor diese Exzenterwelle. Der Zwischenhebel überträgt die Drehung der Nocken, abhängig von der Stellung dieser Welle, auf das Ventil. Im Ergebnis ist also der Hub variabel. Bei wenig Gas hat das Ventil auch nur wenig Hub, bei Vollgas öffnet das Ventil weiter.

Valvetronic
 

 

Was bringt der Aufwand eigentlich?

Bei Motoren mit Drosselklappe muss beim Öffnen der Einlassventile das Volumen der Saugrohre zwischen Ventil und Drosselklappe überwunden werden, bevor sich die Luft in Richtung der Zylinder in Bewegung setzt. Das Saugrohrvolumen bildet somit einen Dämpfer, der das Ansprechverhalten verringert. Gelingt es, die Drosselklappe auszuschalten und das Einlassventil zur Laststeuerung zu bewegen, dann ist mit sinkendem Verbrauch, mit steigender Leistung und mit drastisch besserem Ansprechen des Motors auf den Befehl des Gaspedals zu rechnen. Der Valvetronic-Motor ist aber deshalb nicht  entdrosselt, weil die Drosselklappe nicht mehr verwendet wird. Es besteht weiterhin eine Drosselstelle - nämlich am Ventilspalt. Eine Entdrosselung wurde jedoch dadurch ermöglicht, dass infolge der besseren Gemischaufbereitung mit einer höheren (inneren) AGR-Rate gefahren werden kann.

Der Hintergrund dafür ist eine erheblich bessere Zerstäubung des ins Saugrohr gespritzten Benzins bei Leerlauf und in der unteren Teillast, weil das angesaugte Gemisch in dem engen Ventilspalt enorm beschleunigt wird und die Widerstände von Drosselklappe und Dämpfungsvolumen entfallen. Schließlich wird das Kaltstartvermögen des Motors dramatisch verbessert. BMW nennt denn auch eine Reduzierung des Benzinverbrauchs von 10 % gegenüber dem sehr guten Vorgängermotor und eine Anhebung des Drehmomentes im unteren Drehzahlbereich. Damit könne man die für die direkte Benzineinspritzung genannten Verbrauchsvorteile auf einfachere Weise erreichen. BMW sei keineswegs grundsätzlich gegen die Direkteinspritzung, nur halte man die bisherigen Systeme wegen der zerklüfteten Kolbenböden mit der Folge der Verbrauchserhöhung bei hoher Last und Drehzahl und der verstärkten Neigung zur Rußbildung für sehr verbesserungsbedürftig.

Dennoch besitzt der BMW-Motor – wie übrigens auch die meisten Dieselmotoren – eine Drosselklappe, die jedoch nur der Korrektur, nicht aber der Laststeuerung dient. Die geschieht ausschließlich über den variablen Hub der Einlassventile, wobei auch die Steuerzeiten von Einlass wie Auslass über das bekannte Doppelvanos-System durch Verdrehen der Nockenwellen verstellt werden. Der Hub der Auslassventile dagegen wird nicht verstellt, die Auslassventile werden wie gewohnt von der Nockenwelle über Rollenkipphebel betätigt.

 

Mechanik der Super-Klasse

Valvetronic

Hub zwischen 0 und 10 mm


Der neue BMW-Vierzylinder mit 1,8 Liter Hubraum besitzt vier Ventile pro Zylinder, wobei wie üblich eine Nockenwelle die Einlass-, die andere die Auslassventile betätigt. Beide Ventilreihen werden über Rollenkipphebel betätigt.  Die Auslassnockenwelle liegt direkt über den Kipphebeln, während zwischen der Einlassnockenwelle und den Rollenkipphebeln zusätzliche Hebel angeordnet sind. Beide Nockenwellen werden wie bei BMW üblich durch Kette angetrieben, beide werden durch die Vanos genannten Steller verdreht.

Diese Zwischenhebelchen auf der Einlassseite aber haben es in sich. Sie bestehen aus einer feinkörnigen Stahl-Speziallegierung und werden mit hoher Präzision im Feingussverfahren hergestellt. Ihre Berührungsflächen mit der Verstellwelle sowie mit den Rollenkipphebeln werden auf tausendstel Millimeter genau geschliffen, um jede Abweichung der Ventilhübe voneinander auszuschalten. Über der Einlassnockenwelle liegt eine im Zylinderkopf gelagerte zweite Welle, die durch einen Stellmotor von VDO via Schneckengetriebe verdreht wird. Sie trägt Exzenter, die für die Verstellung des Ventilhubs verantwortlich sind und zudem verhindern, dass die Zwischenhebel sich selbstständig machen. Denn eine «feste» Führung für die Zwischenhebel gibt es nicht, sie hängen «lose» zwischen Verstellwelle und Kipphebel. Etwa in der Mitte tragen sie eine Rolle.

Eine Haarnadelfeder drückt die Hebel sowohl gegen die Nockenwelle als auch gegen die Verstellwelle, während der hydraulische Ventilspielausgleich dafür sorgt, dass an keiner Stelle klappernde Spalte bleiben. Auf der Unterseite, dort also, wo sie auf den Kipphebeln aufliegen, sind die Berührungsflächen in einer genau ermittelten Kurvenform geschliffen, die mit der Nockenbewegung auf den Rollen hin und her gleitet. Bei Leerlauf sorgt die Gleitfläche für einen Ventilhub von nur etwa 0,25 mm, bei Volllast öffnen sich die Einlassventile um 9,7 mm. Mit der gleichen Konstruktion könnte aber auch ein Ventil geschlossen bleiben und sich nur das zweite öffnen. Oder beide Ventile bleiben, wenn eine Zylinderabschaltung vorgesehen ist, geschlossen. Dazu müsste allerdings die Exzenterwelle verändert oder in mehrere Einzelabschnitte aufgeteilt werden.

Der Vierzylinder ist so ausgelegt, dass er bei 6500 Umdrehungen pro Minute abriegelt, während die höchste Leistung bei moderaten 5500 Umdrehungen pro Minute erreicht wird. Die Standfestigkeit des gesamten Ventiltriebs ist bis etwa 7000 Umdrehungen pro Minute gewährleistet.

VALVETRONIC und der Otto-Direkteinspritzer

Theoretisch gibt es für einen Motorenentwickler kaum etwas Näherliegenderes als einen direkteinspritzenden Benzinmotor – kann er doch mit diesem Konzept das Leistungspotenzial des Ottomotors mit dem unübertroffenen Verbrauchsverhaltendes Diesels vereinen. Bis heute scheiterte dieses Vorhaben jedoch an zwei Faktoren: An der für einen Otto-Direkteinspritzer notwendigen Verfügbarkeit von schwefelfreiem Kraftstoff und der mangelnden Haltbarkeit der unabdingbaren und in ihrer Herstellung komplizierten Katalysatorensysteme.

VALVETRONIC kommt ohne die aufwändige, für den Benzin-Direkteinspritzer aber unumgängliche Abgasnachbehandlung aus., Ein VALVETRONIC - Motor ist im Gegensatz zum Direkteinspritzer nicht auf schwefelfreien Kraftstoff angewiesen. Der niedrige Verbrauch wird mit allen handelsüblichen Otto-Kraftstoffen erreicht, so dass man die Vorteile von VALVETRONIC ohne zusätzliche finanzielle oder zeitliche Aufwendungen nutzen kann.

 

 

siehe auch |Variable Steuerzeiten   | Leistungssteigerung | Füllung | Leistung | Mehrventiler |Aufladung | Vergleich P/M |

Quellen: BMW und diverse unbekannte Quellen


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Autor: Johannes Wiesinger

bearbeitet: 19.02.2015

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